基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出的方法

摘要

本发明涉及一种基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出的方法及实现该方法的稳频装置，属于THz激光器技术领域。该方法在THz激光器基础上添加一光声探测装置；用添加的光声探测装置探测其工作物质吸收泵浦激光所产生的光声信号；由光声信号的变化情况，利用计算机反馈控制系统来控制泵浦激光器和THz激光器腔内的压电陶瓷，以便调节泵浦激光源和THz激光器谐振腔的腔长，从而实现泵浦激光源输出激光的稳定，进而实现THz激光输出功率和输出频率的稳定。该方法和稳频装置能使光泵气体THz激光器输出功率和频率具有更高的稳频精度、更快的响应速度，尤其适合于光泵气体THz激光系统。

说明书

技术领域：

本发明属于太赫兹(THz)激光器技术领域，具体涉及一种基于气体光声效应来实现 稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法及其稳频装置。

背景技术：

太赫兹波是指频率为100GHz--10THz的电磁辐射(1THz—1012GHz)，因为太赫兹处 于电磁波段中特殊的位置，与其它波段的电磁波相比具有许多独特的性能，如瞬时性、低 能性、宽带性、非极性物质极强穿透力等，THz波目前在生物医学领域、国防军事通讯、 安检无损检测等都有广泛的应用。近十年的研究表明它有非常重要的学术和应用价值，使 得全世界各国都给予极大的关注，积极开发THz技术及其应用。

在太赫兹成像、雷达探测、相干通信等许多应用领域中，太赫兹激光器输出功率和输 出频率的稳定性一直是影响其应用性能的关键指标。

光泵太赫兹(THz)辐射源是目前各类太赫兹辐射源中应用较为成熟的一种，其基本 原理是用一台中红外激光器的输出激光抽运工作物质，由于工作物质的能级跃迁频率处于 太赫兹波段范围，因而可以形成太赫兹波受激辐射。通过选择合适的工作物质、寻找新的 能级跃迁谱线，即可基本覆盖整个太赫兹波段。然而，光泵太赫兹辐射源也存在输出功率 和频率稳定性较差的问题，致使其应用性能受到影响。为了实现气体太赫兹输出功率和频 率的高稳定性，首先就要确保泵浦源的输出频率稳定在气体太赫兹源气体工作介质的吸收 峰处。目前，稳定泵浦源输出频率的方法有多种，包括兰姆凹陷稳频法、相位调制光外差 稳频法、光声稳频法等。其中，所述兰姆凹陷稳频法，是利用非均匀加宽线性增益曲线的 烧孔效应，以增益曲线中心频率作为参考标准频率实现稳频的；这种方法的稳频装置虽然 比较简单，但在应用中存在一定的局限，频率复现性较差。所述相位调制光外差稳频法， 是利用光学谐振腔的共振频率作为参考频率，但是其结构复杂，且法布里-珀罗(F-P)腔 具很容易受外部影响；因而其应用也受到限制。所述光声稳频是基于气体的光声效应，使 泵浦源工作在光声样品气体的最大吸收峰处，传统的光声探测是使用一个独立的光声密闭 腔来进行探测的，其光声密闭腔内气体吸收光能后发生无辐射跃迁，致使吸收介质的温度 升高，从而导致光声密闭腔内气压发生变化，进而产生声振动；当泵浦光存在频率漂移时， 产生声振动的声压信号会发生变化，通过检测声压信号的变化即可对泵浦光的频率稳定性 及其频率漂移等进行探测，并通过反馈控制激光器的腔长，即可稳定泵浦激光器输出功率 和频率。

发明内容：

本发明的目的在于克服现有技术中所存在的缺陷和不足，提供一种基于光声效应来实 现稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法，以及提供一种实现该方法的稳频装 置。该方法和装置能够显著稳定气体THz激光器的泵浦源的输出功率和频率，并指示泵浦 激光频率与THz激光器谐振腔内工作气体的吸收峰位置是否处于最佳匹配，以实现光泵气 体THz激光器输出功率和输出频率的稳定。进而使光泵气体THz激光器输出功率和输出 频率具有更高的稳频精度、更快的响应速度，而且更适用于光泵气体THz激光系统。

为实现上述目的，本发明采用以下技术措施构成的技术方案来实现的。

本发明设计的基本思路是：提出通过在光泵气体THz激光器的基础上添加一光声探测 装置的方法；用添加的光声探测装置探测其工作气体吸收泵浦激光所产生的光声信号，进 而根据光声信号的变化情况；利用反馈控制系统控制泵浦激光器和THz激光器腔内的压电 陶瓷(PZT)，以调节泵浦激光器和THz谐振腔的腔长，从而实现泵浦激光器输出激光的 稳定，使泵浦激光频率与THz激光器工作气体的吸收峰位置处于最佳匹配状态；进而提高 泵浦效率，并获得高稳定的THz激光输出功率和输出频率。本发明还提供一种实现上述方 法的稳频装置，该稳频装置主要是在THz激光器基础上添加光声探测装置，将传统光声腔 与THz谐振腔合二为一，不仅简化了实验装置，且稳频效果好。

本发明提出的基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出的方法，包括以下步骤：

(1)在光泵气体THz激光器基础上添加一光声探测装置；

(2)采用所添加的光声探测装置探测光泵气体THz激光器工作气体吸收泵浦激光产 生的光声信号及其变化，并找出光声信号的峰值；

(3)根据探测到的光声信号，利用反馈控制系统来控制泵浦激光器谐振腔内的第二 压电陶瓷和THz谐振腔内的第一压电陶瓷；即能实现对泵浦激光器谐振腔和THz激光器 谐振腔腔长的调节；

(4)通过泵浦激光器谐振腔和THz谐振腔腔长的变化，即能实现泵浦激光器输出功 率和频率的稳定，进而实现光泵气体THz激光器输出功率和输出频率的稳定。

上述方案中，所述光声探测装置采用光声感应功能材料或微音器进行光声信号探测， 所述微音器包括硅微电容式微音器、或硅微压电式微音器、或悬臂式微音器，或超声波压 电陶瓷微音器进行光声信号探测。

上述方案中，所述的光声信号的峰值应与泵浦激光谱线中心频率处具有对应关系，即 光声信号峰值对应泵浦激光谱线中心频率处，根据此对应关系来实时反馈调节泵浦激光器 的腔长，从而使泵浦激光器的输出激光锁定在固定的谱线上，并保持其输出频率和功率的 长期稳定。

上述方案中，所述泵浦激光器输出激光的频率与THz激光器工作气体吸收谱线中心重 合，并始终保持最佳匹配，从而使THz激光器输出激光保持其稳定性。

上述方案中，所述泵浦激光器采用Z型折叠腔的射频激励板条波导CO₂激光器，其激 光器工作电源采用射频电源。

本发明提供一种实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出功率和频率的方法 的稳频装置，包括泵浦激光器、红外探测器，THz谐振腔、THz功率计、分束器、光声探 测装置、激光器电源、由锁相放大器、第一PZT驱动器、第二PZT驱动器和计算机构成 的反馈控制系统；其中，所述THz谐振腔包括ZnSe窗口，第一PZT，凹面镀金全反镜， THz激光输出镜，抽充气接口；所述泵浦激光器谐振腔包括光栅，第一全反镜和第二全反 镜，第二PZT，输出镜；

所述泵浦激光器输出的激光通过分束器分为两路，一路垂直入射到红外探测器，另一 路则进入THz谐振腔中；THz谐振腔中光声探测装置的信号线与反馈控制系统中锁相放大 器的信号通道连接；锁相放大器的信号输出端通过信号线与计算机连接；计算机还分别连 接第一PZT驱动器和第二PZT驱动器用以分别控制第一PZT和第二PZT。

上述方案中，所述的泵浦激光器采用Z型折叠腔的射频激励板条波导CO₂激光器，通 过驱动其谐振腔中第二压电陶瓷改变其腔长，并通过所述谐振腔中的光栅选支。

上述方案中，所述的THz谐振腔采用平-凹谐振腔，泵浦激光输入采用小孔耦合输入 方式，即采用一个中间有小孔的凹面镀金全反镜，其背面放置第一压电陶瓷。

上述方案中，所述光声探测装置采用光声感应功能材料或微音器进行光声信号探测， 所述微音器包括硅微电容式微音器、或硅微压电式微音器、或悬臂式微音器，或超声波压 电陶瓷微音器进行光声信号探测。

上述方案中，所述THz激光输出镜采用对CO₂激光高反且对THz激光部分透过的平面 镜。

上述方案中，所述光声探测装置采用硅微电容式微音器；并将其置于THz谐振腔的中 间位置，用于探测THz谐振腔内的声信号；并使硅微电容式微音器(23)开口与THz谐 振腔(3)管壁平齐，以提高光声信号的探测效果。

本发明与现有技术相比所具有的优点及有益的技术效果如下：

1、本发明采用在光泵气体THz激光器基础上添加一光声探测装置的方法；使用该方 法可以将THz激光器的输出激光锁定在固定的谱线上，并保持其输出功率和输出频率的长 期稳定。

2、使用本发明所述的方法，通过更换不同的工作气体、转动泵浦CO₂激光器谐振腔内 所用光栅角度选择不同支线，可以实现泵浦CO₂激光器不同支线的高稳定性输出，从而获 得不同功率和频率的THz激光稳定输出。

3、本发明的提供的稳频装置，在THz激光器基础上添加光声探测装置，将传统光声 腔与THz谐振腔合二为一，不仅简化了实验装置，相比于传统的独立光声腔而言，光声探 测的反应更加灵敏、精度更高；而且，光声信号不仅可以显示出CO₂激光器的输出变化情 况，也可以指示CO₂激光频率与THz激光器工作气体的吸收峰中心频率是否处于最佳匹配 状态。

4、本发明提供的稳频装置，利用放置在THz谐振腔中间位置的光声探测装置硅微电 容式微音器来采集工作气体吸收泵浦激光能量后在腔内产生的声信号；并通过检测光声信 号的变化来实时分析获得泵浦激光功率和频率的变化规律。在探测泵浦激光稳定性的同 时，也可以指示出THz激光器是否处于最佳匹配状态，因此，这种结构的优化更加符合光 泵气体THz激光系统对于光声检测的要求。

附图说明

图1是本发明实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光输出方法的稳频装置的结构示 意框图；

图2是图1中THz激光器的谐振腔结构示意图；

图3是图1中泵浦激光器的结构示意图。

图中：1泵浦激光器，2红外探测器，3THz谐振腔，4THz功率计，5分束器，6光 声探测装置，7激光器电源，8锁相放大器，9第一PZT驱动器，10第二PZT驱动器，11 计算机，12ZnSe窗口，13第一PZT，14凹面镀金全反镜，15THz激光输出镜，16抽充 气接口，17光栅，18第一全反镜，19第二PZT，20输出镜，21第二全反镜，22反馈控 制系统，23微音器。

具体实施方式

下面结合附图并用具体实施例对本发明作进一步详细说明，有必要在此指出的是所述 实施例只是用于对本发明的进一步描述，而并不意味着是对本发明保护范围的任何限定。

本发明基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出方法，采用在光泵气体THz激光 器的基础上添加一光声探测装置6；采用添加的光声探测装置6探测光泵气体THz谐振腔 3内工作气体吸收泵浦激光产生的光声信号及其变化；根据探测获取的光声信号的变化情 况，利用反馈控制系统22分别控制泵浦激光器1谐振腔内和THz谐振腔3内的第二压电 陶瓷10和第一压电陶瓷9；以调节泵浦激光器1的谐振腔和THz谐振腔3的腔长，即能 实现泵浦激光器输出功率和输出频率的稳定性，进而实现光泵气体THz激光器输出功率和 输出频率的稳定。

本发明实现基于光声效应稳定光泵气体THz激光器输出方法的稳频装置，包括泵浦激 光器1、红外探测器2、THz谐振腔3、THz功率计4、分束器5、光声探测装置6、激光 器电源7、以及由锁相放大器8、第一PZT驱动器9、第二PZT驱动器10和计算机11构 成的反馈控制系统22；其中，所述THz谐振腔3中包括镀有增透膜的ZnSe窗口12，第一 PZT驱动器9，微音器23，第一PZT 13，凹面镀金全反镜14，THz激光输出镜15，抽充 气接口16；所述泵浦激光器1谐振腔内包括光栅17，第一全反镜18，第二PZT19，输出 镜20，第二全反镜21。

所述稳频装置中泵浦激光器1输出的激光通过分束器5分为两路，一路垂直入射到红 外探测器2，另一路则进入THz谐振腔3；THz谐振腔3中的微音器23的信号线与反馈控 制系统22中的锁相放大器8的信号通道连接；锁相放大器8的信号输出端通过信号线与 装有数据采集卡的计算机11连接；计算机11还控制THz谐振腔3中的第一PZT 13；所述 第二PZT驱动器10分别与装有数据采集卡的计算机11和泵浦激光器1连接，由计算机控 制泵浦激光器1中的第二PZT19；所述激光器电源7的脉冲信号与锁相放大器8的参考信 号通道连接，激光器电源7提供给泵浦激光器1所用电源。

所述反馈控制系统22中，锁相放大器8是接收来自光声探测装置6的信号，利用互相 关检测方法：通过对待测信号与参考信号作互相关函数运算，抑制噪声并从噪声中提取光 声信号。

所述第一PZT驱动器9和第二PZT驱动器10：分别用于驱动泵浦激光器1谐振腔内 和THz谐振腔3内的第一PZT13和第二PZT19，以实现其稳定激光输出。

所述最佳匹配是指泵浦激光的中心频率与THz激光工作气体的吸收峰的中心频率保持 一致，此时被选择激发的气体分子数目最多。

所述反馈控制系统22，是利用自己编写的计算机程序用于分析光声信号，并找出其峰 值和峰值所对应泵浦激光器1内第二PZT的位移量，反馈控制第一全反镜18上的第二PZT (压电陶瓷)19，以实时调整泵浦激光的输出频率，从而可将射频CO₂激光频率稳定在工 作气体的某一吸收峰处，因为一种工作气体有很多固定的吸收峰，不同吸收峰对应产生的 THz激光的频率也不同，根据所需要的THz激光频率来选择的稳定在哪个吸收峰处，并始 终保持最佳匹配。其中：(1)泵浦激光：根据光声信号来反馈调节泵浦激光器内的压电陶 瓷，使激光输出稳定在工作气体吸收峰处；(2)THz激光：根据THz功率计和光声信号来 反馈调节THz激光器内的压电陶瓷，因此，能使THz谐振腔保持与泵浦激光的最佳匹配， 从而实现其输出功率和频率的稳定。

实施例

本实施例按照前面所述方法步骤进行操作，整个操作过程采用自己编写的计算机程序 进行；首先按照图1所示结构安装连接好各元器件，并调整好光路。

本实施例所用元器件名称、型号：

所述泵浦激光器1采用射频激励板条波导CO₂激光器；

所述光栅17，原刻光栅100线/mm；

所用激光器电源7采用射频电源；

所述锁相放大器8，ND-207型双通道锁相放大器；

所使用的两个PZT：泵浦激光器内的第二PZT19是采用封装型柱状压电陶瓷，行程为 20微米；THz谐振腔3内的第一PZT13是采用封装型管状压电陶瓷，行程为200微米， 所述微音器23采用硅微电容式微音器，选用Knowles公司的EK-23024-000型微音器。

THz激光器谐振腔3采用平-凹谐振腔，泵浦激光输入采用小孔耦合输入方式，其中， 凹面镀金反射镜为铜镜，中心口径2mm作为泵浦激光器1的输出激光的输入孔。THz激 光输出镜15采用以石英为基底、镀膜并加有金属网栅的平面镜，镀有对9.6μm激光的高 反膜，对THz激光部分透过；腔长1.5米，其谐振腔半径为25mm，主体采用不锈钢，内 表面抛光以减少抽运光的损耗。

所述抽充气接口16作为抽真空和充工作气体的接口，将THz激光谐振腔抽真空并充 入甲醇，保持气压为25Pa，并尽量保持恒温和恒压。调节光栅17转角使CO₂激光器保持 9P(36)支线输出，此时的THz激光器输出为2.52THz的太赫兹激光；调节CO₂激光器内的 第二PZT(压电陶瓷)19，找出光声信号的峰值，进而利用自编计算机软件快速控制调节 谐振腔腔长，使CO₂激光器输出始终保持在光声信号峰值处。在此基础上，通过调节THz 谐振腔3内的第一PZT(压电陶瓷)13来改变THz谐振腔3的腔长，在调节谐振腔长的 同时通过THz功率计4观察并记录THz输出功率，找到THz激光的输出峰，并通过实时 调节THz谐振腔3的腔长，使THz激光保持在输出峰值处。

通过本实施例的实验，泵浦源CO₂激光器的输出功率稳定性可达1％，输出频率可稳 定在其中心谱线附近2MHz以内，再进一步结合对THz腔的反馈控制，使THz激光器输 出功率稳定性约1.3％，输出频率稳定在100kHz以内，通过THz功率计来检测功率稳定性。

所述采用自编的计算机程序分析光声信号的过程简操作步骤如下：

1.用周期性锯齿波电压控制泵浦激光器1内的第二PZT19，使其谐振腔长作周期性的 变化，实时探测光声信号的变化情况，并记录第二PZT19的位移量P与所对应的光声信号 值A；

2.通过分析所记录光声信号值A，寻找出光声信号的峰值A_max和此峰值所对应的第二 PZT19的位移量P_max；

3.通过反馈控制系统22控制泵浦激光器1内的第二PZT19，并使其位移量稳定在P_max处；

4.实时监测光声信号，如果光声信号值A与其对应峰值A_max相差超过设定阈值B时， 再次对泵浦激光器1内的第二PZT19进行相应调节，使光声信号A值与其峰值A_max的差值 始终保持在设定阈值B以内；即调节到光声信号能够稳定在峰值A_max附近设定阈值B以内 即可。